Основные вопросы естествознания

1. Что такое астероиды, где они расположены, каковы их орбиты и размеры? Назовите наиболее крупные из них. Период обращения Плутона равен 250 земных лет, так каково его расстояние от Солнца и какую часть своего «года» он прошел после того, как его открыли?

Астероиды - это небесные тела, движущиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам и отличающиеся от восьми больших планет своими небольшими размерами. Самые крупные астероиды имеют в диаметре: Церера - 770 км, Паллада - 490 км и Веста - 385 км. Размеры других астероидов намного меньше. Все крупные астероиды уже известны, и в XX в. открывались только астероиды с диаметром менее 40 км.

Третий закон Кеплера: R13 / R23 = T12 / T12, где R1, R2 - радиусы планет, T1, T1 - периоды обращения.

RП = RЗ · (TП / TЗ)2/3 = RЗ · 2502/3 = 39,7 RЗ = 39,7 а.е.

Плутон был открыт благодаря теоретическому предсказанию, основанному на возмущении движения Урана.

2. Поясните понятия «момент силы» и «момент импульса». В каких системах сохраняется момент импульса, почему этот закон тоже относят к разряду «великих законов сохранения»? Дайте примеры его использования.

Момент силы и момент импульса широко используются при изучении вращений тел. Они определены через операцию, называемую векторным произведением. В отличие от скалярного произведения двух векторов, величина которого равна (АВ) = АВ cosa, векторное произведение учитывает и направление, определяемое по правилу правой руки, когда пальцы согнуты в направлении от первого вектора А ко второму В, тогда большой палец укажет направление самого произведения, величина которого равна: [АВ]sinа.

Момент импульса тела по величине равен произведению импульса тела на расстояние до оси вращения, его может иметь тело даже при движении по прямой. Он определяется выражением:

L = [r · mv].

Понятие момента силы используется для сил, способных вызвать вращение тел. Если сила F приложена к точке A, расположенной на расстоянии r от оси вращения, а вектор силы перпендикулярен линии АВ, создается момент силы r х F. Когда же направление приложенной силы проходит через центр вращения, она не создает момента силы. Пример: приложенная к ручке двери сила приводит дверь во вращение относительно линии косяка или дверных петель, но вращения не будет в случае приложения силы вдоль линии петель. Вращение вызывает только перпендикулярная составляющая силы, и момент силы есть векторное произведение: Т = [r · F] = r · F sinц, здесь ц - угол между векторами r и F.

При отсутствии действия внешних сил (система изолирована) действует закон сохранения импульса для поступательного движения и момента импульса для вращения. Момент силы и момент импульса связаны по второму закону Ньютона: T = dL / dt.

Законы сохранения момента силы используют в рычаге, а момента импульса, например, в карданном валу автомобиля.

3. Что такое радиоактивность (естественная в искусственная)? Как использование явлений радиоактивности позволило осуществить мечту алхимиков?

Радиоактивность (от лат. radio - излучаю, radius - луч и activus - действенный), самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно - изотоп другого элемента). Сущность явления состоит в самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных частиц (электронов, нейтрино и т.д.) либо других ядер, например, ядер 2Не (а-частиц).

Так как в результате радиоактивности изменяется состав атомного ядра, можно получать одни химические элементы из других, о чем мечтали алхимики.

4. Определите радиус Луны, если известно, что видимый угловой диаметр Луны 30 угловых минут, расстояние до Луны 384 тыс. км. Как определяют расстояния до звезд? Что такое «параллакс» и «звездная величина»? Как оценили размер Галактики, Вселенной?

r = R · sin15'' = 384 · 0,0044 = 1,7 (тыс. км)

Расстояние до звезд определяют по угловому смещению.

Параллакс - величина углового смещения предмета, которой можно характеризовать расстояние до него. Из практического опыта на земной поверхности известно, что скорость изменения направления на предмет при движении наблюдателя тем меньше, чем дальше объект находится от наблюдателя.

Метод геометрического параллакса позволяет измерять расстояние в макромире, используя теоремы евклидовой геометрии. Методом параллакса определяют расстояние до ближайших планет. Можно обнаружить смещение при перемещении наблюдателя из-за суточного движения Земли, будто он переместился из центра Земли в точку экватора, из которой планета кажется находящейся на горизонте. Угол, под которым со светила виден экваториальный радиус Земли, перпендикулярный лучу зрения, называют суточным параллаксом.

Из-за огромного расстояния до звезд измерение углов достаточно сложно. Для определения расстояний до звезд небо фотографируют одним телескопом через полгода. При наложении фотографий изображения большинства звезд совпадут друг с другом, но для ближайших звезд окажутся смещенными. Отношение этого малого смещения к фокусному расстоянию телескопа даст тот же угол, что и отношение базиса к расстоянию до звезды. Смещение изображения для ближайшей звезды составляет примерно 1" для фокусного расстояния 10 м, это соответствует смещению на фотопластинке 1" = 5 · 10-6 рад = смещение /10 м. Таким образом, смещение изображения составит 50 · 10-6 м, или 50 мк, что можно измерить только под микроскопом.

Звездная величина - мера освещенности, создаваемой небесным светилом на Земле на плоскости, перпендикулярной падающим лучам.

Расстояния до ближайших галактик определяются методом измерения сравнительной яркости, исходя из закона убывания интенсивности точечного источника пропорционально квадрату расстояния. Для больших расстояний подходящего базиса уже не найти, и потому используются свойства света и зависимость частоты света от скорости излучающего объекта (эффект Доплера).

5. Поясните принцип неопределенности, понятия детерминизма и индетерминизма. Как изменились представления о случайном и закономерном? Поясните роль измерения и прибора в квантовой механике.

Принцип неопределенности, сформулированный Гейзенбергом, - это фундаментальное положение квантовой теории, отражая ограничение информации о микрообъектах самими средствами наблюдения. Гейзенберг подсчитал точность определения положения и скорости электрона из так называемых перестановочных соотношений квантовой механики.

Пусть в какой-то момент нам нужно узнать положение и скорость электрона. Самый точный метод - осветить электрон пучком фотонов. Электрон столкнется с фотоном, и его положение будет определено с точностью до длины волны используемого фотона.

Для большей точности нужно использовать фотоны наименьшей длины (или большей частоты, или обладающие большими энергией Е и импульсом hv/c). Но чем больше импульс фотона, тем сильнее он исказит импульс электрона.

Для точного знания положения электрона нужно использовать фотоны бесконечной частоты, но тогда и импульс его будет бесконечным, совершенно неопределенным. И, наоборот, желая определить точно импульс электрона, из аналогичных рассуждений придем к неопределенности положения. Выразив ее как Дq, а неопределенность импульса как Др, получим Дq Др > h. Если взять сопряженные величины -- энергию Е и время t, то квантовомеханическое соотношение неопределенности для них будет Дt ДE > h.

Значит, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность в значении координаты. Аналогично связаны энергия и время. Точность измерения энергии пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого - взаимодействие с макроскопическим прибором.

Нет возможности одновременно измерить точно каждую из находящихся в паре сопряженных величин. Конечно, в реальности неточности выше, чем указанный минимум. Но принцип дает ограничения, которые нельзя устранить никакими усовершенствованиями прибора.

В классической науке приборы и наблюдения тоже искажали измерения, но эти искажения можно было уменьшать. Принципиальная разница в том, что соприкасаются и взаимодействуют объекты разных миров: для изучения микромира используются приборы и наблюдатели из макромира. Они-то и вносят искажения в состояния микрообъектов, которые не устранимы. Отсюда - будущее состояние микрочастицы не может быть достоверно и точно предсказано.

Повышение точности в знании одного параметра влечет увеличение неточности в знании другого параметра. Отсюда дискуссии о непредсказуемости явлений микромира, о «свободе воли» электрона, о победе случайности над детерминизмом, нарушении принципа причинности в микромире и др. В настоящее время принцип неопределенности считается общепризнанным.

6. Что такое «начала термодинамики», идеальный и реальный цикл, коэффициент полезного действия тепловых машин? В чем состоит суть начал термодинамики и спора о «тепловой смерти Вселенной»?

Термодинамика основана на трех-четырех утверждениях, которые включили в себя огромный опыт человечества по превращению энергии и называются началами термодинамики.

Нулевое начало -- это уточнение понятия «температура». Тепловое равновесие существует в том случае, если две системы приведены в тепловой контакт, но результирующие потоки энергии отсутствуют. Для количественной оценки вводится понятие температуры -- если системы имеют одинаковую температуру, то системы находятся в тепловом равновесии друг с другом.

Первое начало -- это закон сохранения и превращения энергии в изолированной системе, утверждение существования внутренней энергии, поэтому его называют принципом энергии.

Второе начало устанавливает направленность всех процессов в изолированных системах. И, хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимо.

Второе начало называют принципом энтропии. Теплота переходит самопроизвольно только от более нагретых тел к телам, менее нагретым. При этом для направления, в котором происходит изменение распределения энергии, оказывается не важно само количество энергии.

Третье начало определяет свойства веществ при очень низких температурах, утверждая, что нельзя охладить тела до температуры абсолютного нуля за конечное число процессов.

Спор о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что энтропия постоянно возрастает, следовательно, вселенную ждет хаос.

Рассмотрим схематически работу тепловой машины. В цилиндре машины помещается при атмосферном давлении идеальный газ или другое вещество, называемое рабочим телом.

Повысим температуру газа, не меняя давление. Тогда газ должен расшириться. Пусть газ, находящийся под поршнем в цилиндре, находится в равновесии с окружающей средой. Будем медленно выдвигать поршень из цилиндра, не нарушая равновесия в каждый данный момент и сохраняя постоянство температуры.

Существует и другой обратимый процесс в идеально теплоизолированном сосуде. Этот процесс тоже очень медленный, так что температура во время сжатия или расширения выравнивается во всех точках, но меняется в зависимости от объема.

Такой процесс без теплообмена с окружающей средой называется адиабатическим.

Оба этих обратимых процесса, конечно, идеализированы, реальные процессы могут только приближаться к ним, поскольку всегда есть какие-то потери тепла на теплоизоляцию, вязкость среды и т.п. Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов, которые образуют на графике в координате (р, v) криволинейный четырехугольник.

За весь цикл он получит теплоту Q, равную совершенной работе А. Отношение работы А к теплу, полученному у нагревателя (с нагревателем связаны основные затраты, ведь это ему нужно топливо), называется КПД теплового двигателя: КПД = A/Q.

Можно показать, что КПД = (Т1 - Т2)/Т1, Где Т1, Т2 - температуры нагревателя и холодильника.

Идеальный цикл не учитывает вязкости среды, потерь на трение и теплоизоляцию, а реальный учитывает.

7. Дайте представление о научной методологии и формировании критерия истины в разное время. Какие методы используют в естествознании и насколько они дают объективные результаты?

Научное познание помимо описания выявляет причины явлений, пытаясь объяснить происходящее. Для него существенным было формирование критерия истинности.

Система доказательности и обоснованности знания стала складываться в математике еще в античные времена, в диалогах Платона арифметика есть чистое знание и центр всего космоса знаний.

Впоследствии стало ясно, что математические закономерности отражают глубинную сущность законов природы, а не только внешнюю их сторону. Об этом писали Леонардо да Винчи, Р. Декарт, И. Кеплер, Г. Галилей, Х. Хюйгенс, И. Ньютон и другие.

У Платона «тот, кто не умеет правильно считать, никогда не станет мудрым», наука о числе -- высшая мудрость, «все искусства совершенно исчезли бы, если бы было исключено искусство арифметики».

Если астрономия -- умозрительное изучение числовых соотношений в движении небесных светил, то гармония -- умозрительное изучение числовых соотношений в музыкальных созвучиях.

Это позволяет человеку «посредством только одного разума, минуя ощущения, устремляться к сущности любого предмета и не отступать, пока при помощи самого мышления не достигнет сущности блага. И он оказывается на самой вершине умопостигаемого».

Воззрения Аристотеля основаны на наблюдениях и соответствии здравому смыслу, поэтому больше относятся к натурфилософии, чем к физике.

Аксиомы Евдокса вошли в «Начала» Евклида и работы Архимеда, продвинули логику Аристотеля и других учеников Платона, возросла роль чертежа и доказательств «от противного».

Возрождение математического метода Архимеда Галилеем означает переход к науке Нового времени, с XVII в. наступила пора аналитического естествознания; природе стали задавать вопросы и пытаться отвечать на них с помощью специальных опытов, а полученные результаты записывались, обобщались и анализировались с помощью математики.

Стройные естественнонаучные теории сначала были созданы в механике, а затем в других областях физики. И экспериментально-математическое естествознание надолго определило идеал и критерии научности, В физике переход к доказательности и обоснованности знания произошел в XVII столетии, в химии -- в XVIII, в биологии -- в XIX и т.д.

К началу XX в. в физике произошли изменения, кардинально расширившие представления о естественнонаучной рациональности. Выяснилось, что операция устранения субъекта осуществима не всегда и не для всех объектов познания.

Квантовая гипотеза излучения, квантовая теория атома, теория броуновского движения и другие изменили представления о воспроизводимости результатов исследования, о роли измерительных приборов (и наблюдателя), о случайности в исследовании природы.

Сформировалась неклассическая стратегия познания, в основе которой -- признание случайности как фундаментального свойства природы, а все выводы опираются на логику «дополнительности» («и -- и») и уходят от привычного, наглядного.

В настоящее время наука переходит к новой стратегии познания, в так называемый постнеклассический период. Интегративный характер постнеклассической науки проявляется в создании общенаучных дисциплин и методов, появлении таких дисциплин, как теория систем, синергетика, системный и структурный подходы и т.д.

8. Как возникают структуры из хаоса в неорганической и живой материях? Каковы условия их образования, приведите примеры из разных областей естествознания. Что такое синергетика и каково ее значение для современной картины мира?

В хаосе возникают флуктуации. Они либо исчезают, либо на их основе начинают формироваться структуры. В течении воды при больших отклонениях от равновесия возникаю завихрения, затем течение из ламинарного становится турбулентным.

Другой пример - образование космических тел из хаоса. Условия образования структур - превышение показателя беспорядка некоторого критического значения.

Синергетика - новый научный метод, изучающий коллективные процессы. Она позволяет описать реальные открытые недетерминированные системы, явления самоорганизации.

9. Опишите гипотезы происхождения планет Солнечной системы. Чем доказывается единовременное происхождение тел Солнечной системы? Поясните проблемы происхождения и эволюции Земли. Каково строение геосфер? В чем суть гипотез тектоники литосферных плит, дрейфа континентов?

Кант предполагал, что солнечная система образовалась из космического облака, или «хаоса». Мировое пространство заполнено «инертной, бесформенной и неупорядоченной» материей, которая «стремится преобразоваться в более организованную путем естественного развития». Совокупное действие ньютоновского притяжения и сил отталкивания, которые ему пришлось ввести, привели Канта к мысли о возможности зарождения в хаосе круговых движений. Поэтому орбиты планет почти круговые. Образовавшись из сгущений, возникших в первичной туманности, планеты отдалялись от нее и от Солнца центробежной силой.

Впоследствии эту гипотезу поддержали и развили У.Гершель и П Лаплас. Исследуя галактические туманности, У.Гершель сформулировал гипотезу об образовании звезд при медленном сгущении рассеянной газовой материи, из которой состоят открытые им многочисленные неправильные галактические туманности.

Гипотезу об образовании солнечной системы Лаплас представил в своей книге «Изложение системы мира» (1796 г.). Он воображал первичное Солнце звездой огромных размеров, превышающих радиус орбиты Юпитера. При медленном вращении этой материи происходили охлаждение и конденсация. По мере сжатия скорость вращения возрастала вследствие сохранения момента количества движения, тогда как центробежная сила в области экватора росла, и в этой области от первичного Солнца должно было отделиться газовое кольцо.

Так, по Лапласу, из отделяющихся от первичного Солнца колец материи образовались планеты. Каждое кольцо разрывалось на несколько частей масс, конденсирующихся потом в планету.

Катастрофические гипотезы появились в XX в. Джинс, автор одной из них, предположил, что какая-то звезда прошла неподалеку от Солнца и вызвала некие «приливные выступы», принявшие форму газовых струй, из которых и возникли планеты. Поэтому орбиты образовавшихся планет были сначала сильно вытянутыми, но из-за огромного сопротивления пылевой среды между двумя звездами постепенно приближались к круговым. Недостатком гипотезы Джинса была уникальность образования планетной системы. В 1935 г. Ресселл подсчитал момент количества движения приблизившейся к Солнцу звезды, он оказался на порядок меньше среднего момента количества движения планет по современным данным. Ему пришлось ввести еще одну гипотезу: Солнце в прошлом было двойной звездой, спутник Солнца вращался от него на расстоянии Урана или Нептуна, какая-то внешняя звезда столкнулась с ним, отбросила его за пределы солнечной системы и удалилась сама.

К процессам, происходящим внутри Солнца, обратился академик В.Г. Фесенков. Образование планет происходило во время перехода от одного типа ядерных реакций в глубинах Солнца к другому, что определялось температурными условиями.

Эволюцию разных моделей при разных начальных условиях рассчитывают теперь на ЭВМ. При определенных значениях массы, плотности и температуры такой комплекс начинает сжиматься, возникающие неоднородности разрывают его на фрагменты, из которых при дальнейшем сжатии и образуются npoтoзвезды. Солнце было Протозвездой около 5 · 109 лет назад. Центробежные силы выделяли экваториальную область, в ней возникали неустойчивые нестационарные потоки в газе и пыли, и часть этого вещества была оторвана от самого Солнца, унеся с собой избыточный момент количества движения.

Так образовался газопылевой диск в экваториальной плоскости Солнца. Этот диск рос, и в нем возникали условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, увеличивалась температура, росло давление, что препятствовало дальнейшему сжатию.

Во внешних слоях пошли бурные процессы, вызывающие огромные токи в ионизованном газе и сальные магнитные поля. Когда температура достигла 106 К, пошли термоядерные реакции, и «загорелось» наше Солнце. На этот процесс потребовалось почти 108 лет.

Протопланетное облако к этому времени представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в более дальние части кольца, где они «замерзали» (Т = 50 К).

Так происходило образование двух групп планет. Планеты земной группы образовались примерно за те же 100 млн. лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью. Это привело к неоднородности протекания химических процессов, которая усиливалась давлением солнечного излучения и корпускулярной радиации Солнца.

В разных частях облака возникали неоднородности, что потом отразилось на составе образовавшихся планет. Химическая эволюция протекала тоже по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения, потом -- летучие. Аккумуляция конденсатов в планеты и метеоритные тела началась еще до завершения процессов конденсации.

Агломерация твердых частиц и жидких капель в планетные тела связана, вероятно, с появлением первых конденсатов железа. Сгущение высокотемпературной фракции конденсатов вело к образованию ядер планет, обогащенных железоникелевым сплавом.

Вокруг них оседали магнезиально-силикатные породы, которые образовали первичные мантии. Поздние конденсаты -- гидратированные силикаты, органические вещества и летучие соединения. Так формировались первичные планеты земной группы.

Земля состоит из геосфер - концентрических оболочек: атмосфера, гидросфера, земная кора, мантия и ядро.

Мантия жидкая, по ее поверхности перемещаются литосферные плиты, образовавшиеся после растрескивания земной оболочки. При их перемещении перемещаются и континенты, на них расположенные. Такое строение не дает Земле взорваться: излишки давления легко выходят на поверхность в местах сочленения литосферных плит.

10. В чем смысл концепции ноосферы, и каков ее научный статус? Опишите, в чем состоит глобальный экологический кризис, каковы его причины и перспективы преодоления.

Вернадский говорил, что «биосфера перейдет однажды в сферу разума -- ноосферу. Произойдет великое объединение, в результате которого развитие планеты сделается направленным силой Разума». Сам термин возник на семинаре, где выступал Вернадский со своей концепцией биосферы. Термин использовали широко Э. ле Руа и П.Тейяр де Шарден, но понимали под ноосферой «оболочку мысли» на планете. По мнению Тейяраде Шардена, возникновение мысли -- явление, которое знаменует собой «трансформацию, затрагивающую состояние всей планеты».

Ноосфера--это высшая ступень интеграции всех форм существования материи, когда любая преобразующая деятельность человека будет основываться на научном понимании естественных и социальных процессов и органически согласовываться с общими законами развития природы.

Это высший этап эволюции системы «природа -- общество», который только формируется и должен быть, если человечество хочет жить без глобальных потрясений. Такой тип отношений «природа -- общество» соответствует коэволюции. В структуре ноосферы можно выделить человечество, совокупность научных знаний, сумму техники и технологий в единстве с биосферой.

Глобальный экологический кризис заключается в том, что растет загрязнение окружающей среды. Восстановить экологию на данном этапе очень сложно. Единственный путь выйти из него - начать жить в гармонии с природой.

Список литературы

1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания: Учебно-методический комплекс. -- Новосибирск: НГУЭУ, 2008.

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М.: ВЛАДОС, 1999.

3. Потеев М.И. Концепции современного естествознания: Учебник. -- СПб.: Питер, 1999.